JP2010186659A - Fuel battery - Google Patents

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Shinji Shiromori
慎司 城森
Naoki Takehiro
直樹 竹広
Tatsuya Arai
竜哉 新井
Keiichi Kaneko
桂一 金子
Takumi Taniguchi
拓未 谷口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery in which an approximately linear gas inflow channel and an approximately linear gas outflow channel are formed on the surface of a cathode-side separator to be almost parallel with each other, and a decline in power generation performance, which results from the formation involving an area involving no oxidizer gas flow in a cathode-side gas diffusion layer, is prevented. <P>SOLUTION: The relation between a pressure drop PLf by the air inflow channel 23p (gas inflow channel) and the cathode off-gas outflow channel 24p (gas outflow channel), and a pressure drop PLd by the cathode-side gas diffusion layer 16 is determined to be (PLd/PLf)×100>9(%). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、燃料電池は、一般に、電解質膜に両面に、それぞれ、触媒層、および、ガス拡散層を積層してなる発電体を、セパレータによって挟持することによって構成される。   A fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention as an energy source. In general, a fuel cell is configured by sandwiching a power generation body formed by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane with a separator.

このような燃料電池において、上記電気化学反応によって生成された生成水や、上記電気化学反応に寄与しない窒素等の不要ガスが触媒層近傍に滞留すると、触媒層への反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）の供給が阻害されて、発電性能が低下する。このため、上記生成水や不要ガスを触媒層近傍から効率よく排出することが望まれる。   In such a fuel cell, when the generated water generated by the electrochemical reaction or unnecessary gas such as nitrogen that does not contribute to the electrochemical reaction stays in the vicinity of the catalyst layer, the reaction gas (fuel gas, and , The supply of oxidant gas) is hindered, and the power generation performance decreases. For this reason, it is desired to efficiently discharge the generated water and unnecessary gas from the vicinity of the catalyst layer.

そこで、例えば、下記特許文献１では、固体高分子型燃料電池において、セパレータに、ガス供給用のガス流路とガス排出用のガス流路とを分離して形成することが提案されている。この燃料電池によれば、ガス供給用のガス流路に導入された反応ガスのすべてがガス拡散層に供給され、反応に寄与しなかった反応ガスの流れによって、触媒層近傍の水滴や不要ガスをガス排出用のガス流路から強制的に排出することができる。   Thus, for example, Patent Document 1 below proposes that in a polymer electrolyte fuel cell, a gas supply gas flow path and a gas discharge gas flow path are separately formed in a separator. According to this fuel cell, all of the reaction gas introduced into the gas flow path for gas supply is supplied to the gas diffusion layer, and the flow of reaction gas that has not contributed to the reaction causes water droplets or unnecessary gas in the vicinity of the catalyst layer. Can be forcibly discharged from the gas flow path for gas discharge.

特開平１１−１６５９１号公報JP-A-11-16591

しかし、上記特許文献１に記載された構成をカソード側のセパレータに適用し、ガス供給用のガス流路（ガス流入流路）、および、ガス排出用のガス流路（ガス流出流路）を直線形状として、これらをカソード側のセパレータに平行に配置した場合には、ガス拡散層におけるガス流入流路に対向する部位からガス流出流路に対向する部位に亘る領域に、酸化剤ガスが流れない領域が生じる場合があった。この場合、上記酸化剤ガスが流れない領域では、酸化剤ガスの供給が阻害されて、発電量が低下するため、燃料電池全体として、発電性能の低下を招く。   However, the configuration described in Patent Document 1 is applied to a cathode-side separator, and a gas flow path for gas supply (gas inflow path) and a gas flow path for gas discharge (gas outflow path) are provided. When these are arranged in a straight line and parallel to the separator on the cathode side, the oxidant gas flows in a region extending from a portion facing the gas inflow passage to a portion facing the gas outflow passage in the gas diffusion layer. There could be no areas. In this case, in the region where the oxidant gas does not flow, the supply of the oxidant gas is hindered and the amount of power generation is reduced, so that the power generation performance of the entire fuel cell is reduced.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、カソード側のセパレータの表面に、略直線形状のガス流入流路およびガス流出流路が略平行に形成された燃料電池において、カソード側のガス拡散層に酸化剤ガスが流れない領域が生じることによる発電性能の低下を防止することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and in a fuel cell in which a substantially straight gas inflow channel and a gas outflow channel are formed substantially in parallel on the surface of a cathode-side separator, An object is to prevent a decrease in power generation performance due to a region in which an oxidant gas does not flow in the gas diffusion layer on the cathode side.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層、および、ガス拡散層を積層してなる発電体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記発電体のカソード側に配置される前記セパレータは、前記カソード側の前記ガス拡散層と当接する側の表面に、略直線状に延設され、発電に供する酸化剤ガスを、前記延設方向に流すとともに、前記ガス拡散層に供給するためのガス流入流路と、前記カソード側の前記ガス拡散層と当接する側の表面に、前記ガス流入流路と略平行に延設され、発電において未消費の酸化剤ガスを、前記ガス拡散層から受け取るとともに、前記延設方向に流すためのガス流出流路と、を備えており、前記ガス拡散層は、前記ガス流入流路に対向する部位から前記ガス流出流路に対向する部位に亘る領域において、略均一な空孔分布を有しており、前記ガス流入流路および前記ガス流出流路の圧力損失ＰＬｆと、前記ガス拡散層の圧力損失ＰＬｄとの関係が、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）である、燃料電池。
なお、前記ガス流入流路および前記ガス流出流路の圧力損失ＰＬｆは、
ＰＬｆ＝｛（Ｐｉｎ１−Ｐｉｎ２）＋（Ｐｏｕｔ１−Ｐｏｕｔ２）｝÷２；
Ｐｉｎ１ ：前記ガス流入流路の最上流部における圧力；
Ｐｉｎ２ ：前記ガス流入流路の最下流部における圧力；
Ｐｏｕｔ１：前記ガス流出流路の最上流部における圧力；
Ｐｏｕｔ２：前記ガス流出流路の最下流部における圧力；
であり、
前記ガス拡散層の圧力損失ＰＬｄは、
ＰＬｄ＝（全圧力損失）−ＰＬｆ；
である。 Application Example 1 A fuel cell in which a power generation body in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched by separators, and is disposed on the cathode side of the power generation body. The separator extends substantially linearly on the surface of the cathode that contacts the gas diffusion layer, and flows an oxidant gas for power generation in the extending direction and supplies the gas diffusion layer to the gas diffusion layer. And a gas inflow channel for carrying out the process, and a surface of the cathode in contact with the gas diffusion layer on the cathode side, extending substantially parallel to the gas inflow channel, A gas outflow passage for receiving from the diffusion layer and flowing in the extending direction, wherein the gas diffusion layer is a portion facing the gas outflow passage from a portion facing the gas inflow passage. In an area that spans And the relationship between the pressure loss PLf of the gas inflow channel and the gas outflow channel and the pressure loss PLd of the gas diffusion layer is PLd / PLf × 100> 9 (%), a fuel cell.
The pressure loss PLf of the gas inflow channel and the gas outflow channel is
PLf = {(Pin1-Pin2) + (Pout1-Pout2)} / 2;
Pin1: pressure at the most upstream part of the gas inflow channel;
Pin2: pressure at the most downstream portion of the gas inflow channel;
Pout1: pressure at the most upstream part of the gas outflow passage;
Pout2: pressure at the most downstream part of the gas outflow passage;
And
The pressure loss PLd of the gas diffusion layer is
PLd = (total pressure loss) −PLf;
It is.

本願発明者は、上述した、発電体のカソード側に配置されるセパレータ（以下、カソード側のセパレータと呼ぶ）の表面に、略直線形状のガス流入流路およびガス流出流路が略平行に形成された燃料電池において、ガス流入流路およびガス流出流路の圧力損失ＰＬｆと、ガス拡散層の圧力損失ＰＬｄとの関係を、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００≦９（％）とすると、ガス拡散層におけるガス流入流路に対向する部位からガス流出流路に対向する部位に亘る領域に、酸化剤ガスが流れない領域が生じるのに対し、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）とすることによって、ガス拡散層におけるガス流入流路に対向する部位からガス流出流路に対向する部位に亘る全領域に酸化剤ガスが流れることを、シミュレーションによって見出した。   The inventor of the present application forms a substantially straight gas inflow channel and a gas outflow channel substantially parallel to the surface of the separator disposed on the cathode side of the power generator (hereinafter referred to as a cathode side separator). When the relationship between the pressure loss PLf of the gas inflow channel and the gas outflow channel and the pressure loss PLd of the gas diffusion layer is PLd / PLf × 100 ≦ 9 (%), In the region extending from the portion facing the gas inflow passage to the portion facing the gas outflow passage, a region where the oxidant gas does not flow is generated, whereas PLd / PLf × 100> 9 (%) It was found by simulation that the oxidant gas flows in the entire region from the portion facing the gas inflow passage in the gas diffusion layer to the portion facing the gas outflow passage.

適用例１の燃料電池では、ガス流入流路およびガス流出流路の圧力損失ＰＬｆと、ガス拡散層の圧力損失ＰＬｄとの関係が、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）であるので、カソード側のガス拡散層におけるガス流入流路に対向する部位からガス流出流路に対向する部位に亘る全領域において、酸化剤ガスが流れる。したがって、カソード側のガス拡散層におけるガス流入流路に対向する部位からガス流出流路に対向する部位に亘る領域に、酸化剤ガスが流れない領域が生じることによる発電性能の低下を防止することができる。   In the fuel cell of Application Example 1, since the relationship between the pressure loss PLf of the gas inflow passage and the gas outflow passage and the pressure loss PLd of the gas diffusion layer is PLd / PLf × 100> 9 (%), the cathode Oxidant gas flows in the entire region from the portion facing the gas inflow passage to the portion facing the gas outflow passage in the gas diffusion layer on the side. Therefore, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to a region where the oxidant gas does not flow in a region extending from a portion facing the gas inflow passage to a portion facing the gas outflow passage in the cathode-side gas diffusion layer. Can do.

［適用例２］適用例１記載の燃料電池であって、前記ガス流入流路、および、前記ガス流出流路は、それぞれ、櫛歯形状を有するとともに、所定の間隔を隔てて交互に配置されており、前記ガス拡散層は、前記櫛歯形状を有するガス流入流路に対向する部位から前記櫛歯形状を有するガス流出流路に対向する部位に亘る領域において、略均一な空孔分布を有している、燃料電池。   Application Example 2 In the fuel cell according to Application Example 1, the gas inflow channel and the gas outflow channel each have a comb-tooth shape and are alternately arranged at a predetermined interval. The gas diffusion layer has a substantially uniform pore distribution in a region extending from a portion facing the gas inflow passage having the comb shape to a portion facing the gas outflow passage having the comb shape. Has a fuel cell.

本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。また、上述の燃料電池を備える燃料電池システム、あるいは、電気機器の発明として構成することもできる。   The present invention can be configured as a fuel cell manufacturing method in addition to the above-described configuration as a fuel cell. Moreover, it can also be comprised as invention of a fuel cell system provided with the above-mentioned fuel cell, or an electric equipment.

本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100 as one Example of this invention. カソード側セパレータ２０の平面図である。3 is a plan view of a cathode side separator 20. FIG. カソード側のガス拡散層１６への空気の供給およびカソード側のガス拡散層１６からのカソードオフガスの排出の様子を示す説明図である。FIG. 5 is an explanatory view showing a state of supplying air to the cathode-side gas diffusion layer 16 and discharging cathode off-gas from the cathode-side gas diffusion layer 16. カソード側セパレータ２０に形成された空気流入流路２３ｐ内における空気の流れおよびカソードオフガス流出流路２４ｐ内におけるカソードオフガスの流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the air in the air inflow flow path 23p formed in the cathode side separator 20, and the flow of the cathode off gas in the cathode off gas outflow flow path 24p. シミュレーション結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a simulation result.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。図２では、燃料電池１００の断面構造を模式的に示した。図示するように、この燃料電池１００は、膜電極接合体１０の両面を、カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０で挟持することによって構成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 100 as one embodiment of the present invention. In FIG. 2, the cross-sectional structure of the fuel cell 100 is schematically shown. As shown in the figure, the fuel cell 100 is configured by sandwiching both surfaces of a membrane electrode assembly 10 with a cathode side separator 20 and an anode side separator 30.

膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合することによって構成されている。アノード、および、カソードは、それぞれ、触媒層１４と、ガス拡散層１６とを含んでいる。本実施例では、電解質膜１２として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜１２として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、ガス拡散層１６として、カーボンクロスを用いるものとした。ガス拡散層１６として、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。なお、本実施例において、ガス拡散層１６は、ほぼ全面に亘って、ほぼ均一な空孔分布を有しているものとした。   The membrane electrode assembly 10 is configured by joining an anode and a cathode to both surfaces of an electrolyte membrane 12 having proton conductivity, respectively. The anode and the cathode each include a catalyst layer 14 and a gas diffusion layer 16. In this embodiment, a solid polymer electrolyte membrane such as Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane 12. Other electrolyte membranes may be used as the electrolyte membrane 12. In this embodiment, carbon cloth is used as the gas diffusion layer 16. As the gas diffusion layer 16, other materials having gas diffusibility and conductivity such as carbon paper may be used. In the present embodiment, the gas diffusion layer 16 has a substantially uniform pore distribution over almost the entire surface.

アノード側セパレータ３０におけるアノード側のガス拡散層１６と当接する側の表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスを流すためのアノードガス流路３０ｐを構成する。また、カソード側セパレータ２０におけるカソード側のガス拡散層１６と当接する表面には、図示するように、リブ、および、溝が形成されており、この溝は、酸化剤ガスとしての空気を流すための空気流入流路２３ｐ、および、カソードから排出されるカソードオフガスを流すためのカソードオフガス流出流路２４ｐを構成する。後述するように、本実施例の燃料電池１００では、カソード側セパレータ２０において、空気流入流路２３ｐと、カソードオフガス流出流路２４ｐとは、互いに分離して形成されている。つまり、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの一方の端部は、それぞれ閉塞されている。なお、図示は省略しているが、カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０には、冷却水を流すための冷却水流路も形成されている。カソード側セパレータ２０、および、アノード側セパレータ３０の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。   As shown in the figure, ribs and grooves are formed on the surface of the anode-side separator 30 on the side in contact with the anode-side gas diffusion layer 16, and these grooves are formed of hydrogen as fuel gas and anode. An anode gas flow path 30p for flowing the anode off gas discharged from the gas is constituted. Further, as shown in the figure, ribs and grooves are formed on the surface of the cathode-side separator 20 that is in contact with the cathode-side gas diffusion layer 16, and this groove flows air as an oxidant gas. Air inflow passage 23p and a cathode offgas outflow passage 24p for flowing a cathode offgas discharged from the cathode. As will be described later, in the fuel cell 100 of the present embodiment, in the cathode separator 20, the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p are formed separately from each other. That is, one end of each of the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p is closed. Although not shown, the cathode side separator 20 and the anode side separator 30 are also formed with cooling water passages for flowing cooling water. As materials for the cathode-side separator 20 and the anode-side separator 30, various materials having conductivity such as carbon and metal can be applied.

以下、本発明の燃料電池における特徴部分であるカソード側の構成について詳細に説明し、アノード側の構成については説明を省略する。   Hereinafter, the structure on the cathode side, which is a characteristic part of the fuel cell of the present invention, will be described in detail, and the description on the structure on the anode side will be omitted.

Ｂ．カソード側セパレータ：
図２は、カソード側セパレータ２０の平面図である。図２では、膜電極接合体１０のカソード側のガス拡散層１６と当接する側から見た平面図を示した。図示するように、カソード側セパレータ２０には、水素供給マニホールドを構成する貫通孔２１と、アノードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔２２と、空気供給マニホールドを構成する貫通孔２３と、カソードオフガス排出マニホールドを構成する貫通孔２４と、冷却水供給マニホールドを構成する貫通孔２５と、冷却水排出マニホールドを構成する貫通孔２６とが形成されている。 B. Cathode side separator:
FIG. 2 is a plan view of the cathode separator 20. In FIG. 2, the top view seen from the side contact | abutted with the gas diffusion layer 16 of the cathode side of the membrane electrode assembly 10 was shown. As shown, the cathode separator 20 includes a through hole 21 constituting a hydrogen supply manifold, a through hole 22 constituting an anode off gas discharge manifold, a through hole 23 constituting an air supply manifold, and a cathode off gas discharge manifold. Are formed, a through-hole 25 constituting a cooling water supply manifold, and a through-hole 26 constituting a cooling water discharge manifold.

膜電極接合体１０のカソード側のガス拡散層１６と当接する側の表面には、間隔が狭いハッチングで示したように、貫通孔２３から導入された空気をカソード側のガス拡散層１６の表面に沿って流すとともに、カソード側のガス拡散層１６に供給するための複数の空気流入流路２３ｐ（溝）が櫛歯状に形成されている。また、膜電極接合体１０のカソード側のガス拡散層１６と当接する側の表面には、空気流入流路２３ｐと同じく、間隔が狭いハッチングで示したように、カソード側のガス拡散層１６から排出されるカソードオフガスを受け取り、カソード側のガス拡散層１６の表面に沿って貫通孔２４に流すための複数のカソードオフガス流出流路２４ｐ（溝）が櫛歯状に形成されている。複数の空気流入流路２３ｐ、および、複数のカソードオフガス流出流路２４ｐは、それぞれ、直線状に延設されており、これらは、所定の間隔を隔てて、平行に交互に配置されている。   On the surface of the membrane electrode assembly 10 on the side in contact with the gas diffusion layer 16 on the cathode side, the air introduced from the through holes 23 is transferred to the surface of the gas diffusion layer 16 on the cathode side, as indicated by the narrow hatching. And a plurality of air inflow channels 23p (grooves) for supplying the gas diffusion layer 16 on the cathode side are formed in a comb shape. Further, the surface of the membrane electrode assembly 10 on the side in contact with the gas diffusion layer 16 on the cathode side is similar to the air inflow channel 23p from the gas diffusion layer 16 on the cathode side as shown by the narrow hatching. A plurality of cathode offgas outflow channels 24p (grooves) for receiving the discharged cathode offgas and flowing it through the through holes 24 along the surface of the gas diffusion layer 16 on the cathode side are formed in a comb shape. The plurality of air inflow channels 23p and the plurality of cathode off-gas outflow channels 24p are each extended in a straight line, and these are alternately arranged in parallel at a predetermined interval.

図３は、カソード側のガス拡散層１６への空気の供給、および、カソード側のガス拡散層１６からのカソードオフガスの排出の様子を示す説明図である。図３では、燃料電池１００を構成したときの図２におけるＡ−Ａ断面図を示した。なお、アノード側セパレータ３０の図示は省略されている。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing supply of air to the cathode-side gas diffusion layer 16 and discharge of the cathode off-gas from the cathode-side gas diffusion layer 16. 3, the AA sectional view in FIG. 2 when the fuel cell 100 is configured is shown. The illustration of the anode separator 30 is omitted.

本実施例の燃料電池１００では、先に説明したように、カソード側セパレータ２０に、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐが互いに分離して形成されており、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの一方の端部がそれぞれ閉塞されている。したがって、空気流入流路２３ｐに流入した空気は、その一部がカソード側のガス拡散層１６に供給されずにカソードオフガス流出流路２４ｐに排出されることはなく、すべてカソード側のガス拡散層１６に供給される。そして、カソードオフガスは、触媒層１４近傍の水滴（生成水）とともに、ガス拡散層１６からカソードオフガス流出流路２４ｐに排出される。   In the fuel cell 100 of the present embodiment, as described above, the cathode-side separator 20 is formed with the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p separated from each other. 23p and one end of the cathode offgas outflow passage 24p are respectively closed. Accordingly, a part of the air flowing into the air inflow channel 23p is not supplied to the cathode-side gas diffusion layer 16 without being supplied to the cathode-side gas diffusion layer 16, and is not exhausted to the cathode-side gas diffusion layer 24p. 16 is supplied. The cathode offgas is discharged from the gas diffusion layer 16 to the cathode offgas outflow passage 24p together with water droplets (product water) in the vicinity of the catalyst layer.

Ｃ．シミュレーション：
上述したカソード側のガス拡散層１６における空気、および、カソードオフガスの流れは、空気流入流路２３ｐ内の圧力と、カソードオフガス流出流路２４ｐ内の圧力との差によって生じる。そして、空気流入流路２３ｐ内の圧力と、カソードオフガス流出流路２４ｐ内の圧力との差は、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの流路構成や、カソード側のガス拡散層１６の構成によって変化する。 C. simulation:
The flow of air and cathode offgas in the cathode-side gas diffusion layer 16 described above is caused by the difference between the pressure in the air inflow channel 23p and the pressure in the cathode offgas outflow channel 24p. The difference between the pressure in the air inflow channel 23p and the pressure in the cathode offgas outflow channel 24p depends on the channel configuration of the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p, and the gas on the cathode side. It varies depending on the configuration of the diffusion layer 16.

そこで、本願発明者は、カソード側セパレータ２０における空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの流路構成や、カソード側のガス拡散層１６の構成の変化によって、空気流入流路２３ｐ内の圧力分布、および、カソードオフガス流出流路２４ｐ内の圧力分布がどのように変化するのか、また、カソード側のガス拡散層１６における空気の流速分布がどのように変化するのかを、周知の流動解析の手法を用いたシミュレーションによって解析した。以下、シミュレーションの条件を示す。   Therefore, the inventor of the present application changes the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p in the cathode side separator 20 and the configuration of the cathode gas diffusion layer 16 by changing the configuration of the gas diffusion layer 16 on the cathode side. And how the pressure distribution in the cathode off-gas outflow passage 24p changes and how the air flow velocity distribution in the cathode-side gas diffusion layer 16 changes. It was analyzed by simulation using the flow analysis technique. The simulation conditions are shown below.

図４は、カソード側セパレータ２０に形成された空気流入流路２３ｐ内における空気の流れ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐ内におけるカソードオフガスの流れを示す説明図である。図４（ａ）に、カソード側セパレータ２０の平面図を示した。また、図４（ｂ）に、燃料電池１００を構成したときの図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図を示した。また、図４（ｃ）に、燃料電池１００を構成したときの図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図を示した。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing the flow of air in the air inflow passage 23p formed in the cathode separator 20 and the flow of cathode offgas in the cathode offgas outflow passage 24p. FIG. 4A shows a plan view of the cathode-side separator 20. FIG. 4B shows a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 4A when the fuel cell 100 is configured. FIG. 4C is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. 4A when the fuel cell 100 is configured.

図４（ｂ）に示したように、空気流入流路２３ｐの最上流部における圧力をＰｉｎ１、空気流入流路２３ｐの最下流部における圧力をＰｉｎ２とし、図４（ｃ）に示したように、カソードオフガス流出流路２４ｐの最上流部における圧力をＰｏｕｔ１、カソードオフガス流出流路２４ｐの最下流部における圧力をＰｏｕｔ２として、空気流入流路２３ｐおよびカソードオフガス流出流路２４ｐの圧力損失ＰＬｆを、
ＰＬｆ＝｛（Ｐｉｎ１−Ｐｉｎ２）＋（Ｐｏｕｔ１−Ｐｏｕｔ２）｝÷２；
とした。なお、ここで、空気流入流路２３ｐの最上流部とは、カソードオフガス流出流路２４ｐの閉塞した側の端部と隣り合う部位であり、空気流入流路２３ｐの最下流部とは、空気流入流路２３ｐの閉塞した側の端部である。また、カソードオフガス流出流路２４ｐの最上流部とは、カソードオフガス流出流路２４ｐの閉塞した側の端部であり、カソードオフガス流出流路２４ｐの最下流部とは、空気流入流路２３ｐの閉塞した側の端部と隣り合う部位である。 As shown in FIG. 4B, the pressure in the most upstream part of the air inflow channel 23p is Pin1, and the pressure in the most downstream part of the air inflow channel 23p is Pin2, and as shown in FIG. The pressure loss PLf of the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p is defined as Pout1 as the pressure in the most upstream part of the cathode offgas outflow channel 24p and Pout2 as the pressure in the most downstream part of the cathode offgas outflow channel 24p.
PLf = {(Pin1-Pin2) + (Pout1-Pout2)} / 2;
It was. Here, the most upstream portion of the air inflow passage 23p is a portion adjacent to the closed end of the cathode offgas outflow passage 24p, and the most downstream portion of the air inflow passage 23p is air. This is the end of the inflow channel 23p on the closed side. Further, the most upstream portion of the cathode offgas outflow passage 24p is an end portion on the closed side of the cathode offgas outflow passage 24p, and the most downstream portion of the cathode offgas outflow passage 24p is the air inflow passage 23p. It is a site adjacent to the closed end.

また、ガス拡散層１６の圧力損失ＰＬｄを、
ＰＬｄ＝（全圧力損失）−ＰＬｆ；
とした。 Further, the pressure loss PLd of the gas diffusion layer 16 is
PLd = (total pressure loss) −PLf;
It was.

シミュレーションに用いた各種パラメータの値は、以下の通りである。   The values of various parameters used for the simulation are as follows.

＜空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの流路構成＞
流路長Ｌ：０．２（ｍ）；
流路幅Ｄ：０．８（ｍｍ）；
リブ幅Ｒ：０．８（ｍｍ）；
流路深さＨ：０．３（ｍｍ）；
なお、流路幅Ｄ，リブ幅Ｒ，流路深さＨは、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐについて、それぞれ同じ値である。
＜ガス拡散層１６の構成＞
厚さｔ：０．２（ｍｍ）；
透気度Ｐ：変数（Ｐａ・ｓｅｃ）；
＜運転条件＞
電流密度：２（Ａ／ｃｍ2） 相当；
ストイキ比：２ Ａｉｒ 相当 <Flow path configurations of the air inflow path 23p and the cathode offgas outflow path 24p>
Channel length L: 0.2 (m);
Channel width D: 0.8 (mm);
Rib width R: 0.8 (mm);
Channel depth H: 0.3 (mm);
The channel width D, the rib width R, and the channel depth H are the same values for the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p.
<Configuration of gas diffusion layer 16>
Thickness t: 0.2 (mm);
Air permeability P: Variable (Pa · sec);
<Operating conditions>
Current density: 2 (A / cm 2 ) equivalent;
Stiki ratio: 2 Air equivalent

図５は、シミュレーション結果を示す説明図である。図５（ａ）に、カソード側のガス拡散層１６の透気度Ｐを変化させてＰＬｄ／ＰＬｆ（×１００）を変化させたときの、カソード側のガス拡散層１６における空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る領域に対する空気の流速ＶｆがＶｆ＞０となる領域の割合の変化を示した。また、図５（ｂ）に、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００≦９（％）となるある値での空気流入流路２３ｐにおける最上流部から最下流部にかけての圧力分布、および、カソードオフガス流出流路２４ｐにおける最上流部から最下流部にかけての圧力分布を示した。また、図５（ｃ）に、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００≦９（％）となるある値での最上流部から最下流部にかけての空気の流速Ｖｆの分布（流速分布）を示した。また、図５（ｄ）に、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）となるある値での空気流入流路２３ｐにおける最上流部から最下流部にかけての圧力分布、および、カソードオフガス流出流路２４ｐにおける最上流部から最下流部にかけての圧力分布を示した。また、図５（ｅ）に、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）となるある値での最上流部から最下流部にかけての空気の流速Ｖｆの分布（流量分布）を示した。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing simulation results. FIG. 5A shows the air inflow channel 23p in the cathode-side gas diffusion layer 16 when the air permeability P of the cathode-side gas diffusion layer 16 is changed to change PLd / PLf (× 100). The change in the ratio of the region where the air flow velocity Vf is Vf> 0 with respect to the region extending from the portion facing to the portion facing the cathode offgas outflow passage 24p is shown. FIG. 5B shows the pressure distribution from the most upstream part to the most downstream part in the air inflow channel 23p at a certain value satisfying PLd / PLf × 100 ≦ 9 (%), and the cathode offgas outflow channel. The pressure distribution from the most upstream part to the most downstream part in 24p was shown. FIG. 5C shows the distribution (flow velocity distribution) of the air flow velocity Vf from the most upstream portion to the most downstream portion at a certain value satisfying PLd / PLf × 100 ≦ 9 (%). FIG. 5D shows the pressure distribution from the most upstream part to the most downstream part in the air inflow channel 23p at a certain value satisfying PLd / PLf × 100> 9 (%), and the cathode offgas outflow channel. The pressure distribution from the most upstream part to the most downstream part in 24p was shown. FIG. 5E shows the distribution (flow rate distribution) of the air flow velocity Vf from the most upstream portion to the most downstream portion at a certain value satisfying PLd / PLf × 100> 9 (%).

上記シミュレーションから、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００≦９（％）の場合には、図５（ｂ）に示したように、カソード側のガス拡散層１６における空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る領域に、空気流入流路２３ｐの圧力と、カソードオフガス流出流路２４ｐの圧力との差が０（ゼロ）となる領域が生じることが分かった。そして、この空気流入流路２３ｐの圧力と、カソードオフガス流出流路２４ｐの圧力との差が０（ゼロ）となる領域では、図５（ｃ）に示したように、空気の流速Ｖｆが０（ゼロ）となることが分かった。また、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００≦９（％）の場合には、ＰＬｄ／ＰＬｆが小さいほど、すなわち、ガス拡散層１６の圧力損失ＰＬｄが小さい（ガス拡散層１６の透気度Ｐが大きい）ほど、Ｖｆ＞０となる領域の割合が減少する（Ｖｆ＝０となる領域の割合が増加する）ことが分かった（図５（ａ）参照）。   From the above simulation, in the case of PLd / PLf × 100 ≦ 9 (%), as shown in FIG. 5B, the cathode off-gas from the portion facing the air inflow passage 23p in the gas diffusion layer 16 on the cathode side. It has been found that there is a region where the difference between the pressure of the air inflow channel 23p and the pressure of the cathode offgas outflow channel 24p is 0 (zero) in a region extending to a portion facing the outflow channel 24p. In the region where the difference between the pressure of the air inflow passage 23p and the pressure of the cathode offgas outflow passage 24p is 0 (zero), the air flow velocity Vf is 0 as shown in FIG. It turns out that it becomes (zero). Further, in the case of PLd / PLf × 100 ≦ 9 (%), the smaller PLd / PLf, that is, the smaller the pressure loss PLd of the gas diffusion layer 16 (the larger the air permeability P of the gas diffusion layer 16). It was found that the ratio of the region where Vf> 0 decreases (the ratio of the region where Vf = 0 increases) (see FIG. 5A).

一方、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）の場合には、図５（ｄ）に示したように、カソード側のガス拡散層１６における空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る領域に、空気流入流路２３ｐの圧力と、カソードオフガス流出流路２４ｐの圧力との差が０（ゼロ）となる領域が生じることはないことが分かった。そして、図５（ｅ）に示したように、カソード側のガス拡散層１６における空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る全領域で、空気の流速ＶｆがＶｆ＞０となることが分かった。図５（ａ）には示されていないが、例えば、カソード側のガス拡散層１６の透気度Ｐを、Ｐ＝８×１０-12（Ｐａ・ｓｅｃ）とした場合には、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００≒６１（％）となり、Ｖｆ＞０となる領域が１００（％）となった。 On the other hand, in the case of PLd / PLf × 100> 9 (%), as shown in FIG. 5D, the cathode off-gas outflow flow from the portion facing the air inflow passage 23p in the cathode-side gas diffusion layer 16 It has been found that there is no region where the difference between the pressure of the air inflow channel 23p and the pressure of the cathode offgas outflow channel 24p is 0 (zero) in the region extending over the portion facing the path 24p. Then, as shown in FIG. 5 (e), the flow velocity of air in the entire region from the portion facing the air inflow passage 23p to the portion facing the cathode offgas outflow passage 24p in the gas diffusion layer 16 on the cathode side. It was found that Vf was Vf> 0. Although not shown in FIG. 5A, for example, when the air permeability P of the gas diffusion layer 16 on the cathode side is P = 8 × 10 −12 (Pa · sec), PLd / PLf × 100≈61 (%), and the region where Vf> 0 was 100 (%).

以上のシミュレーション結果から、本実施例の燃料電池１００では、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）となるように、カソード側のガス拡散層１６の透気度Ｐを決定した。   From the above simulation results, in the fuel cell 100 of the present example, the air permeability P of the gas diffusion layer 16 on the cathode side was determined so that PLd / PLf × 100> 9 (%).

以上説明した条件を満たす本実施例の燃料電池１００によれば、空気流入流路２３ｐおよびカソードオフガス流出流路２４ｐの圧力損失ＰＬｆと、カソード側のガス拡散層１６の圧力損失ＰＬｄとの関係が、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）であるので、カソード側のガス拡散層１６における空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る全領域において、空気が流れる。したがって、カソード側のガス拡散層１６における空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る領域に、空気が流れない領域が生じることによる発電性能の低下を防止することができる。   According to the fuel cell 100 of the present embodiment that satisfies the conditions described above, the relationship between the pressure loss PLf of the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p and the pressure loss PLd of the cathode-side gas diffusion layer 16 is , PLd / PLf × 100> 9 (%), so in the entire region from the portion facing the air inflow passage 23p to the portion facing the cathode offgas outflow passage 24p in the gas diffusion layer 16 on the cathode side, Flows. Therefore, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to a region where air does not flow in a region extending from a portion facing the air inflow passage 23p to a portion facing the cathode offgas outflow passage 24p in the gas diffusion layer 16 on the cathode side. can do.

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。 D. Variation:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、カソード側セパレータ２０の表面に、それぞれ櫛歯形状を有する複数の空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐが形成されるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐを、それぞれ１つとしてもよい。 D1. Modification 1:
In the above embodiment, a plurality of air inflow channels 23p and cathode offgas outflow channels 24p each having a comb-like shape are formed on the surface of the cathode separator 20, but the present invention is not limited thereto. Not limited. For example, the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p may be one each.

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、カソード側のガス拡散層１６は、ほぼ全面において、略均一の空孔分布を有するものとしたが、本発明は、これに限られない。カソード側のガス拡散層１６は、空気流入流路２３ｐに対向する部位からカソードオフガス流出流路２４ｐに対向する部位に亘る領域（図３において、一点鎖線で囲われた領域）において、略均一な空孔分布を有していればよく、他の領域における空孔分布は不均一であってもよい。 D2. Modification 2:
In the above embodiment, the cathode-side gas diffusion layer 16 has a substantially uniform pore distribution over almost the entire surface, but the present invention is not limited to this. The gas diffusion layer 16 on the cathode side is substantially uniform in a region extending from a portion facing the air inflow passage 23p to a portion facing the cathode offgas outflow passage 24p (a region surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 3). As long as it has a hole distribution, the hole distribution in other regions may be non-uniform.

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの流路構成、および、カソード側のガス拡散層１６の厚さｔを固定して、空気流入流路２３ｐおよびカソードオフガス流出流路２４ｐの圧力損失ＰＬｆと、カソード側のガス拡散層１６の圧力損失ＰＬｄとの関係が、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）となるように、カソード側のガス拡散層１６の透気度Ｐを決定したが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、空気流入流路２３ｐおよびカソードオフガス流出流路２４ｐの圧力損失ＰＬｆと、カソード側のガス拡散層１６の圧力損失ＰＬｄとの関係が、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）となるように、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの流路構成、および、カソード側のガス拡散層１６の構成を決定すればよい。例えば、カソード側のガス拡散層１６の厚さｔ、および、透気度Ｐを固定して、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）となるように、空気流入流路２３ｐ、および、カソードオフガス流出流路２４ｐの流路構成を決定するようにしてもよい。 D3. Modification 3:
In the above embodiment, the air inlet channel 23p and the cathode offgas outlet channel 24p and the thickness t of the cathode-side gas diffusion layer 16 are fixed, and the air inlet channel 23p and the cathode offgas are fixed. The permeability of the cathode-side gas diffusion layer 16 is such that the relationship between the pressure loss PLf of the outflow passage 24p and the pressure loss PLd of the cathode-side gas diffusion layer 16 is PLd / PLf × 100> 9 (%). Although the temperament P is determined, the present invention is not limited to this. In the present invention, generally, the relationship between the pressure loss PLf of the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p and the pressure loss PLd of the cathode-side gas diffusion layer 16 is PLd / PLf × 100> 9 (%). The flow path configuration of the air inflow channel 23p and the cathode offgas outflow channel 24p and the configuration of the cathode-side gas diffusion layer 16 may be determined so that For example, the air inflow channel 23p and the cathode off gas are set so that PLd / PLf × 100> 9 (%) by fixing the thickness t of the gas diffusion layer 16 on the cathode side and the air permeability P. The channel configuration of the outflow channel 24p may be determined.

１００…燃料電池
１０…膜電極接合体
１２…電解質膜
１４…触媒層
１６…ガス拡散層
２０…カソード側セパレータ
２１，２２，２３，２４，２５，２６…貫通孔
２３ｐ…空気流入流路
２４ｐ…カソードオフガス流出流路
３０…アノード側セパレータ
３０ｐ…アノードガス流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Fuel cell 10 ... Membrane electrode assembly 12 ... Electrolyte membrane 14 ... Catalyst layer 16 ... Gas diffusion layer 20 ... Cathode side separator 21, 22, 23, 24, 25, 26 ... Through-hole 23p ... Air inflow channel 24p ... Cathode off-gas outflow passage 30 ... Anode-side separator 30p ... Anode gas passage

Claims (2)

電解質膜の両面に、それぞれ、触媒層、および、ガス拡散層を積層してなる発電体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、
前記発電体のカソード側に配置される前記セパレータは、
前記カソード側の前記ガス拡散層と当接する側の表面に、略直線状に延設され、発電に供する酸化剤ガスを、前記延設方向に流すとともに、前記ガス拡散層に供給するためのガス流入流路と、
前記カソード側の前記ガス拡散層と当接する側の表面に、前記ガス流入流路と略平行に延設され、発電において未消費の酸化剤ガスを、前記ガス拡散層から受け取るとともに、前記延設方向に流すためのガス流出流路と、を備えており、
前記ガス拡散層は、前記ガス流入流路に対向する部位から前記ガス流出流路に対向する部位に亘る領域において、略均一な空孔分布を有しており、
前記ガス流入流路および前記ガス流出流路の圧力損失ＰＬｆと、前記ガス拡散層の圧力損失ＰＬｄとの関係が、ＰＬｄ／ＰＬｆ×１００＞９（％）である、
燃料電池。
なお、前記ガス流入流路および前記ガス流出流路の圧力損失ＰＬｆは、
ＰＬｆ＝｛（Ｐｉｎ１−Ｐｉｎ２）＋（Ｐｏｕｔ１−Ｐｏｕｔ２）｝÷２；
Ｐｉｎ１ ：前記ガス流入流路の最上流部における圧力；
Ｐｉｎ２ ：前記ガス流入流路の最下流部における圧力；
Ｐｏｕｔ１：前記ガス流出流路の最上流部における圧力；
Ｐｏｕｔ２：前記ガス流出流路の最下流部における圧力；
であり、
前記ガス拡散層の圧力損失ＰＬｄは、
ＰＬｄ＝（全圧力損失）−ＰＬｆ；
である。 A fuel cell in which a power generation body formed by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between separators,
The separator disposed on the cathode side of the power generation body,
A gas that extends in a substantially straight line on the surface of the cathode that contacts the gas diffusion layer and flows an oxidant gas for power generation in the extending direction and supplies the gas diffusion layer to the gas diffusion layer An inflow channel;
On the surface of the cathode side that is in contact with the gas diffusion layer, the oxidant gas that extends substantially in parallel with the gas inflow passage and that is not consumed in power generation is received from the gas diffusion layer. A gas outflow passage for flowing in the direction,
The gas diffusion layer has a substantially uniform pore distribution in a region extending from a portion facing the gas inflow passage to a portion facing the gas outflow passage,
The relationship between the pressure loss PLf of the gas inflow channel and the gas outflow channel and the pressure loss PLd of the gas diffusion layer is PLd / PLf × 100> 9 (%).
Fuel cell.
The pressure loss PLf of the gas inflow channel and the gas outflow channel is
PLf = {(Pin1-Pin2) + (Pout1-Pout2)} / 2;
Pin1: pressure at the most upstream part of the gas inflow channel;
Pin2: pressure at the most downstream portion of the gas inflow channel;
Pout1: pressure at the most upstream part of the gas outflow passage;
Pout2: pressure at the most downstream part of the gas outflow passage;
And
The pressure loss PLd of the gas diffusion layer is
PLd = (total pressure loss) −PLf;
It is. 請求項１記載の燃料電池であって、
前記ガス流入流路、および、前記ガス流出流路は、それぞれ、櫛歯形状を有するとともに、所定の間隔を隔てて交互に配置されており、
前記ガス拡散層は、前記櫛歯形状を有するガス流入流路に対向する部位から前記櫛歯形状を有するガス流出流路に対向する部位に亘る領域において、略均一な空孔分布を有している、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The gas inflow channel and the gas outflow channel each have a comb shape and are alternately arranged at a predetermined interval.
The gas diffusion layer has a substantially uniform pore distribution in a region from a portion facing the gas inflow passage having the comb shape to a portion facing the gas outflow passage having the comb shape. Yes,
Fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016167391A (en) * 2015-03-10 2016-09-15 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 Simulation method of fuel cell and simulation device

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